1 Fundamentos de Lógica digital. Sesión 12. Memorias y Arreglos lógicos programables. Aspectos generales sobre memorias Las unidades de memoria son módulos conformados por un conjunto de cerrojos o condensadores agrupados de tal forma que almacenan varias palabras binarias de n bits. Cada cerrojo tiene la capacidad de almacenar un bit de información (1 o 0), y se conocen con el nombre de celdas de memoria. Las celdas o bits de memoria se ubican mediante la fila y la columna en la que se encuentra. En la figura 1 se observa como ubicar un bit y una palabra dentro de una memoria. Figura 1. Ubicación de la información en una memoria Las palabras binarias se identifican con una dirección la cual define la ubicación dentro del arreglo y generalmente se designa con un número binario, octal o hexadecimal. En la mayoría de las aplicaciones se asocian en grupos de ocho unidades para formar bytes y el tamaño de las palabras en las memorias actuales está entre 4 y 64 bits. El parámetro básico de una memoria es su capacidad, la cual corresponde al total de unidades que puede almacenar. El tiempo de acceso es otro parámetro importante en las memorias. Este corresponde al tiempo que tarda la memoria en acceder a la información almacenada en una dirección. Generalmente este tiempo se designan como tacc en las fichas técnicas de estos dispositivos. En tabla 1 se indican los tiempos de acceso de las memorias en circuito Integrado comparados con los tiempos de otros tipos de memoria. Memoria Tiempo de Acceso Núcleo de Ferrita 0.3 - 1.0 us Cinta Magnética 5 ms - 1s Disco Magnético 10ms - 50 ms CD ROM 200 ms – 400 ms Memorias Integradas MOS 2ns – 300 ns Memorias Integradas Bipolares 0.5ns – 30 ns Tabla 1. Comparación de tiempos de acceso de diversos tipos de memorias
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Fundamentos de Lógica digital. Sesión 12. Memorias y Arreglos lógicos
programables.
Aspectos generales sobre memorias
Las unidades de memoria son módulos conformados por un conjunto de cerrojos o
condensadores agrupados de tal forma que almacenan varias palabras binarias de n bits.
Cada cerrojo tiene la capacidad de almacenar un bit de información (1 o 0), y se
conocen con el nombre de celdas de memoria. Las celdas o bits de memoria se ubican
mediante la fila y la columna en la que se encuentra. En la figura 1 se observa como
ubicar un bit y una palabra dentro de una memoria.
Figura 1. Ubicación de la información en una memoria
Las palabras binarias se identifican con una dirección la cual define la ubicación dentro
del arreglo y generalmente se designa con un número binario, octal o hexadecimal. En
la mayoría de las aplicaciones se asocian en grupos de ocho unidades para
formar bytes y el tamaño de las palabras en las memorias actuales está entre 4 y 64 bits.
El parámetro básico de una memoria es su capacidad, la cual corresponde al total de
unidades que puede almacenar.
El tiempo de acceso es otro parámetro importante en las memorias. Este corresponde al
tiempo que tarda la memoria en acceder a la información almacenada en una dirección.
Generalmente este tiempo se designan como tacc en las fichas técnicas de estos
dispositivos. En tabla 1 se indican los tiempos de acceso de las memorias en circuito
Integrado comparados con los tiempos de otros tipos de memoria.
Memoria Tiempo de Acceso
Núcleo de Ferrita 0.3 - 1.0 us
Cinta Magnética 5 ms - 1s
Disco Magnético 10ms - 50 ms
CD ROM 200 ms – 400 ms
Memorias Integradas MOS 2ns – 300 ns
Memorias Integradas Bipolares 0.5ns – 30 ns
Tabla 1. Comparación de tiempos de acceso de diversos tipos de memorias
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Operaciones básicas de una Memoria
La función básica de las memorias es almacenar información. Sin embargo, las
memorias tienen la función específica de escribir y leer los datos en su interior. En la
figura 2 se observa la estructura básica de una memoria de 1K de 4 bits, en la cual se
indican sus partes básicas.
Figura 2. Esquema descriptivo de una Memoria
En la figura 2 la entrada de direcciones (A0 a A9), como su nombre lo indica, define la
posición a escribir o leer dentro de la memoria, esto se logra con un decodificador, las
entradas y salidas de datos (D0 a D3) definen los datos a escribir y leer respectivamente
y lo hacen a través de un único canal, para ello utilizan dispositivos triestado que
permiten que la información entre o salga, para ello se utiliza la entrada WE’ (lectura/
escritura) que controla el tipo de operación que la memoria debe hacer y la
entrada OE’ corresponde a la señal de habilitación de la memoria, la cual habilita o
deshabilita la memoria para responder a las demás entradas.
Las operaciones básicas de una memoria consisten en leer y almacenar información
mediante el uso del bus de datos y direcciones. Estas operaciones ocurren en un orden
lógico, el cual se indica a continuación:
Apuntar a la dirección de memoria que se desea leer o escribir mediante el uso
del bus de direcciones
Selección del tipo de operación: Lectura o escritura.
Cargar los datos a almacenar (en el caso de una operación de escritura)
Retener los datos de la memoria (en el caso de una operación de lectura)
Habilitar o deshabilitar la memoria para una nueva operación.
Memorias de Solo Lectura
Las memorias de solo lectura son conocidas como memorias ROM de la sigla en
inglés Read Only Memory. Se caracterizan por ser memorias de lectura y contienen
celdas de memoria no volátiles, es decir que la información almacenada se conserva sin
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necesidad de energía. Este tipo de memoria se emplea para almacenar información de
forma permanente o información que no cambie con mucha frecuencia.
Actualmente se dispone de varios tipos de memorias ROM, a continuación, se explicará
cada una de ellas con sus características básicas.
Memoria ROM de Máscara
Esta memoria se conoce simplemente como ROM y se caracteriza porque la
información contenida en su interior se almacena durante su construcción y no se puede
alterar. Son memorias ideales para almacenar microprogramas, sistemas operativos,
tablas de conversión y caracteres.
Generalmente estas memorias utilizan transistores MOS para representar los dos estados
lógicos (1 ó 0). La programación se desarrolla mediante el diseño de un negativo
fotográfico llamado máscara donde se especifican las conexiones internas de la
memoria.
Memoria PROM
Esta memoria es conocida como ROM programable de la sigla en inglés Programmable
Read Only Memory. Este tipo de memoria a diferencia de la ROM no se programa
durante el proceso de fabricación, en vez de ello la programación la efectúa el usuario y
se puede realizar una sola vez, después de la cual no se puede borrar o volver a
almacenar otra información.
El proceso de programación es destructivo, es decir, que una vez grabada, es como si
fuese una ROM normal. Para almacenar la información se emplean dos técnicas: por
destrucción de fusible o por destrucción de unión. Comúnmente la información se
programa o quema en las diferentes celdas de memoria aplicando la dirección en
el bus de direcciones, los datos en los buffers de entrada de datos y un pulso de 10 a
30V, en una terminal dedicada para fundir los fusibles correspondientes. Cuando se
aplica este pulso a un fusible de la celda, se almacena un 0 lógico, de lo contrario se
almacena un 1 lógico (estado por defecto), quedando de esta forma la información
almacenada de forma permanente.
El proceso de programación de una PROM generalmente se realiza con un equipo
especial llamado quemador. Este equipo emplea un mecanismo de interruptores
electrónicos controlados por software que permiten cargar las direcciones, los datos y
genera los pulsos para fundir los fusibles del arreglo interno de la memoria. En la figura
3. se indica de forma esquemática la función del programador.
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Figura 3. Programación de un PROM
Memoria EPROM
Este tipo de memoria es similar a la PROM con la diferencia que la información se
puede borrar y volver a grabar varias veces. Su nombre proviene de la sigla en
inglés Erasable Read Only Memory.
La programación se efectúa aplicando en un pin especial de la memoria una tensión
entre 10 y 25 Voltios durante aproximadamente 50 ms, según el dispositivo, al mismo
tiempo se direcciona la posición de memoria y se pone la información a las entradas de
datos. Este proceso puede tardar varios minutos dependiendo de la capacidad de
memoria.
Por otra parte, el borrado de la memoria se realiza mediante la exposición del
dispositivo a rayos ultravioleta durante un tiempo aproximado de 10 a 30 minutos. Este
tiempo depende del tipo de fabricante y para realizar el borrado, el circuito integrado
dispone de una ventana de cuarzo transparente, la cual permite a los rayos ultravioleta
llegar hasta el material fotoconductivo presente en las compuertas aisladas y de esta
forma lograr que la carga se disipe a través de este material apagando el transistor, en
cuyo caso todas las celdas de memoria quedan en 1 lógico.
Figura 4. Apariencia Fisica de una EPROM
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Memoria EEPROM
La memoria EEPROM es programable y borrable eléctricamente y su nombre proviene
de la sigla en inglés Electrical Erasable Programmable Read Only Memory.
Actualmente estas memorias se construyen con transistores de tecnología MOS (Metal
Oxide Silice) y MNOS (Metal Nitride-Oxide Silicon).
Las celdas de memoria en las EEPROM son similares a las celdas EPROM y la
diferencia básica se encuentra en la capa aislante alrededor de cada compuesta flotante,
la cual es más delgada y no es fotosensible.
Memoria FLASH
La memoria FLASH es similar a la EEPROM, es decir que se puede programar y borrar
eléctricamente. Sin embargo, esta reúne algunas de las propiedades de las memorias
anteriormente vistas, y se caracteriza por tener alta capacidad para almacenar
información y es de fabricación sencilla, lo que permite fabricar modelos de capacidad
equivalente a las EPROM a menor costo que las EEPROM.
Las celdas de memoria se encuentran constituidas por un transistor MOS de puerta
apilada, el cual se forma con una puerta de control y una puerta aislada, tal como se
indica en la figura 5. La compuerta aislada almacena carga eléctrica cuando se aplica
una tensión lo suficientemente alta en la puerta de control. De la misma manera que la
memoria EPROM, cuando hay carga eléctrica en la compuerta aislada, se almacena
un 0, de lo contrario se almacena un 1.
Figura 5. Celda de memoria de una FLASH
Las operaciones básicas de una memoria Flash son la programación, la lectura y
borrado.
Como ya se mencionó, la programación se efectúa con la aplicación de una tensión
(generalmente de 12V o 12.75 V) a cada una de las compuertas de control,
correspondiente a las celdas en las que se desean almacenar 0’s. Para almacenar 1’s no
es necesario aplicar tensión a las compuertas debido a que el estado por defecto de las
celdas de memoria es 1.
La lectura se efectúa aplicando una tensión positiva a la compuerta de control de la
celda de memoria, en cuyo caso el estado lógico almacenado se deduce con base en el
cambio de estado del transistor:
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Si hay un 1 almacenado, la tensión aplicada será lo suficiente para encender el
transistor y hacer circular corriente del drenador hacia la fuente.
Si hay un 0 almacenado, la tensión aplicada no encenderá el transistor debido a
que la carga eléctrica almacenada en la compuerta aislada.
Para determinar si el dato almacenado en la celda es un 1 ó un 0, se detecta la corriente
circulando por el transistor en el momento que se aplica la tensión en la compuerta de
control.
El borrado consiste en la liberación de las cargas eléctricas almacenadas en las
compuertas aisladas de los transistores. Este proceso consiste en la aplicación de una
tensión lo suficientemente negativa que desplaza las cargas como se indica en la figura
6.
Figura 6. Proceso de descarga de una celda de memoria FLASH
Funciones matemáticas y Generadores de Señales
Una aplicación de estas memorias consiste en el almacenamiento de tablas de datos que
permiten generar funciones matemáticas. Por ejemplo existen memorias que almacenan
funciones trigonométricas y hallan el resultado con base en el valor binario introducido
en el bus de direcciones. En la figura 7, se observa cómo se puede implementar un
generador de una señal seno, a partir de la información almacenada en una
memoria ROM.
Figura 7. Generador de señales con una memoria ROM
El siguiente esquemático nos muestra el diagrama funcional de un PROM que aún no ha
sido "programado", un PROM con capacidad para almacenar ocho palabras binarias,
con cuatro bits de extensión cada una (precaución: cada uno de los AND mostrados no
es un AND de una sola entrada sino un AND de tres entradas, del mismo modo que los
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OR mostrados son ORs de entradas múltiples y no de una sola entrada; la
representación simbólica utilizada aquí se hizo con el propósito de evitar una
"sobrepoblación" de líneas de conexión y así simplificar el diagrama; tampoco se
muestran aquí los diodos que implementan las funciones AND y OR en cada uno de los
puntos de cruce):
Figura 8. Arreglo sin programar
Podemos ver mejor lo que ocurre en este tipo de memoria suponiendo varios valores
para el domicilio de entrada A2A1A0. Supóngase que A2A1A0=000. Entonces el AND de
tres entradas puesto en el primer renglón y alimentado con A’2A'1 A’0=111 será
activado por la función decodificadora de los tres NOT cuyas tres salidas alimentan el
AND que conduce hacia el primer renglón. Esto pondrá un "1" lógico en la línea del
primer renglón, y como los fusibles están intactos por ser un PLA aún sin ser
programado, la salida será S3S2S1S0=1111. Ahora supóngase que A2A1A0=001.
Entonces el AND de tres entradas puesto en el segundo renglón y alimentado
con A’2A'1A0=111 será activado por la función decodificadora de los tres NOT cuyas
tres salidas alimentan el AND que conduce hacia el segundo renglón. Esto pondrá un
"1" lógico en la línea del segundo renglón, y como los fusibles están intactos por ser un
PROM aún sin ser programado, la salida será tambiénS3S2S1S0=1111.
Funcionalmente hablando y cómo podemos comprobarlo arriba, la memoria PROM
consiste en la utilización de una matriz (arreglo rectangular) fija, el equivalente de
bloques de entrada AND que siempre produce una salida de "1" en una línea distinta
para cada una de todas las combinaciones posibles de "unos" y "ceros" a la entrada
(domicilio); seguida de otra matriz capaz de seleccionar una o varias de las líneas
horizontales para combinar en suma booleana todos los términos seleccionados de cada
renglón.
La estructura operacional del PROM la podemos resumir en forma más concreta con el
